某区地面塌陷灾害形成机理及危险性评价分析

周超

深圳市勘察研究院有限公司  广东 深圳 518000

摘要：地面塌陷作为一种常见地质灾害，会对当地居民人身安全造成严重威胁，也对当地经济发展产生负面影响。而且，地面塌陷具有隐蔽性，难以通过普通方式有效察觉，扩大了地面塌陷的影响力。本文以某地区地面塌陷灾害为例，对于其形成机理与危险性评价展开系统性分析，旨在为更多地区提供可参考方案，推动我国经济有序发展。

关键词：地面塌陷；形成机理；危险性评价

   如果地区出现地面塌陷灾害，将会造成交通中断、房屋坍塌等直接危害，当地居民也容易受到地面塌陷影响，造成次生伤害。以自然资源部（http://www.mnr.gov.cn/）数据统计，2021年全国地面塌陷灾害发生4772起，造成80人死亡、11人失踪，极大影响各个地区经济发展计划。本人从事地质】灾害工作多年，现整理地面塌陷灾害相关经验，希望为更多从业人员提供技术帮助。

1.研究地区基本情况

某地发生地面塌陷灾害，本人所在团队第一时间达到现场，对当地进行详细调查。本次灾害东西长度为3.4km，南北宽度为3.4km，影响面积约为11.2 ，与济南城区仅有42km距离，与S244、S102两条省道较为接近。在和当地气象站取得联系后，了解到当地平均年降雨量为642.5mm，在夏季会出现集中降雨现象。当地有一条季节性河流，地势为东南向高、西北向低。该地区地面标高在55.5m~56.5m范围内，处于北向倾斜的单斜构造。

2.水文地质与工程地质条件

2.1水文地质条件

该地区处于巴漏河冲洪积扇强富水地段的东部边缘，第四系松散岩类孔隙含水层，以粉砂、半胶结砂砾为主要岩性，岩层厚度在5.1m~7.2m范围内，水位则有15.1m~24.9m埋深，单口每日有井500~1000的涌水量。在对第四系的孔隙水监测资料分析后，发现水位每年拥有约1.1m的变化幅度，水位最大变化幅度低于5m。而在本人所在团队针对水文地质条件进行全面调查后，发现该地区周边第四系孔隙水拥有较大水位埋深，每年水位变化幅度相对较小。虽然在东部的巴漏河地表水可以为该地区的第四系孔隙水提供充足补给，但是和该地区存在较远距离，地表水对孔隙水产生的渗漏补给影响并不明显。同时，该地区的地下水位多在地下防洞、地窑下方[1]。所以，研究区内地下水和西巴漏河地表水并不是该地区本次出现的地面塌陷事故的主要影响因素。

2.2工程地质条件

地质灾害勘查多是通过地面施工钻孔、物探工程等渠道，获取地区地层岩性、孔洞分布等信息。在本次研究中，对于当地所有地质勘查钻孔展开搜集，详细分析地基岩性资料后，对于当地的防洞、地道分布情况，地下24.2m的工程地质勘探信息进行统一整理。勘探深度范围内拥有8个层次的地基土，从上至下分别为：第一层、杂填土，素填土，塌落堆积物；第二层、黏土；第三层、黄土状粉质黏土；第四层、黄土状粉土；第五层、半胶结砾石层；第六层、粉土混砾石；第七层、半胶结砾石层；第八层、砾状灰岩。开挖灾害覆盖区域内的地道、防洞，可以发现周边土质主要为黄土状粉土与粉质黏土。

3.地面塌陷灾害形成机理

结合国内外同行关于地面塌陷灾害研究经验及本人多年从事地面塌陷灾害的经验，通常情况下，发生地面塌陷灾害并不是单一因素影响的，而是多种因素累加造成的，例如地层岩性不良、地下空洞等。本研究区域发生地面塌陷灾害，主要因素是当地建筑物的地下拥有防洞、地道等若干地下空洞区，而且地下空洞的周边地质条件是黄土状粉质黏土与粉土层，其性质上和湿陷性黄土较为接近。在雨季集中降雨时期，雨水渗入地下，或是埋设在地下的自来水管道发生渗漏故障时，土层会因湿润，无法保持原有状态，进而发生塌落，导致当地建筑物墙体出现裂缝、空洞等[2]。

3.1地下空洞

该地区的地下空洞分布在西北、东北、东南、西、中部几个位置，方向为东西向，形状则是不规则图形，地下空洞总面积为3.04。在本人所在团队仔细勘察后，发现该地区拥有14口防井、4个防洞、4处地道、3个地道出口，受到地面塌陷灾害影响共有26处，共有38栋房屋开裂。同时，在调查中也发现，地道多和防井相互连通，在距离防井接近的防洞，因为长时间受到自来水管道泄漏、地下雨水渗漏的腐蚀，导致空洞规模偏大，问题较为严重。在询问当地居民与调查地质资料后，发现当地4个防洞中的3个防洞，曾经发生地面塌陷事故。当地4个防洞分布在研究区域的西北部，是以北东向呈带状延伸。

3.2地层岩性

在整理地质钻探资料后，本人所在团队又进行孔内探查作业，发现研究区域发育有7m厚的黄土状粉质黏土与粉土，前期发现的防洞大多集中在这个不良土层内，而且防洞与地道的顶板就是黄土状粉质黏土底界面。这种类型的土壤拥有湿陷性黄土部分特性，土质较为松软，不具有更高强度，如果遇到水会发生剧烈崩解，并且土壤的膨胀能力偏弱。尽管在正常状态下，研究地区的地下水水位长期保持在空洞区以下深度，并不会对不良土层产生太大影响。但是，研究区域内提供居民用水的地下水管质量相对一般，会受到长时间供水压力、土壤腐蚀等多种因素影响，造成水管渗漏问题，为不良土层提供吸收水的条件。而且，在1章节曾提过，当地会在夏季集中降雨，大量雨水会向地下渗透。在地下水管的泄漏水与渗透雨水的双重影响下，下部不良土层会吸收大量水，发生崩解现象，影响原有的土体强度，无法保持正常土体结构，进而生成地面塌陷灾害。

4.地面塌陷灾害危险性评价

对地面塌陷灾害展开危险性评价，需要先评价地基稳定性，再根据《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)（2009年版），研究地面塌陷危险性评估相关量化指标，例如地表倾斜值[3]。

4.1地基稳定性

研究区域的地下空区主要沿着地道、防洞呈带状延展，也有一部分地下空区沿着自来管线呈细线延展，空区宽度大多处于0.8m~3.9m范围内，其顶板埋深则在2.7m~4.1m之间，底板埋深则有5.5m~6.7m。所以，从性质上分析，可以将研究区域的地下空区归纳到浅部空区当中。考虑到研究区域地下空区拥有小窑采空区的特性，本人将采用小窑采空区临界深度公式进行计算，如公式(1)：

（1）

其中，是空区临界深度，单位为m；B是空区宽度，单位为m，本文将B限制在本0.8m~3.9m范围内；是空区上部地层重度，单位为kN/，以黄土状粉土为本文计算重度；是地层内摩擦角，单位为°，选择20.4°；是地基上建筑物的基底单位压力，单位为kN/，本文选择。

如果当H<，此时地基不稳定；如果，地基不具有太好的稳定性；而在H>1.5时，则代表地基稳定[4]。在分析研究区域地道、防洞宽度，并根据有无建筑物情况进行分析后，获得如下数据：如果地道宽度为0.8m，无建筑物，为4.45m；如果有两层建筑物，为9.38m。在防洞宽度为3.9m，无建筑物时，为22.25m；有两层建筑物，为29.99m。在多次计算后，研究位置是否存在建筑物，该位置的地基都不具有稳定性。

4.2地面塌陷灾害危险性

完成地基稳定性评价作业后，需要通过量化评价指标方式，分析研究区域的危险性，评价标准则以勘查规范为准，如表1所示。

表1 地面塌陷危险性评估标准

评估指标	评估标准(10mm/m)	评价结果
地表倾斜值T	＜3	危险性小，地基适应性好，可以作为建筑场地使用
	3~10	危险性中等，地基适应性偏差，作为建筑场地使用时需要做好评价工作
	＞10	危险性大，地基适应性差，不建议作为建筑场地使用

在本人所在团队详细测量研究区域数据，整理并计算后，发现当地地表倾斜值T基本超过3mm/m，少数区域T大于10mm/m，即研究区域拥有地面塌陷安全风险，可以将其划分成危险性大区与危险性中等区，整理为图1内容。

图1 研究区域地面塌陷风险分布

从图1可以看出，当地发生地面坍塌灾害风险过大，并不建议当地居民在此居住，当地相关部门可以考虑将当地居民移居到其他地区，降低灾害对居民人身安全与财产安全带来的负面影响。

4. 结论

虽然本文研究的地面塌陷灾害具有一定参考价值，但是不建议直接将本文内容套用在其他案例中，建议在研究本文内容基础上，综合分析当地地质、水文情况，以客观态度评价地面坍塌灾害风险的危险性，并进行其他预防、处理工作，保障当地居民人身安全与财产安全，助力地区经济的平稳发展。

参考文献

[1]肖攀,吴丽清,李雪平,等.红层岩溶发育特征与地面塌陷形成机理——以咸宁地区为例[J].科学技术与工程,2019,19(33):86-93.

[2]彭溅清,曾平,彭智宏.湖南永顺县高家坝岩溶地面塌陷群形成机理及其治理措施[J].工程建设与设计,2019(15):45-47.

[3]刘飞,孙晓倩.基于GIS的采空地面塌陷危险性评价——以邳州市某公路项目为例[J].西部探矿工程,2021,33(12):7-10.

[4]李小刚,高海刚.基于未确知理论的地面塌陷危险性评价方法[J].煤炭技术,2020,39(03):125-129.